CN107196055B - 一种多频段兼容分形阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多频段兼容分形阵列天线，具体包括基板、贴覆在所述基板背面的天线接地板和贴覆在所述基板正面的蝶形仿生分形阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片是由46个蝶形仿生小天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成的天线阵列。本发明具有较高的辐射强度和超宽的工作带宽，可以同时覆盖第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段。

Description

一种多频段兼容分形阵列天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种多频段兼容分形阵列天线。
背景技术
多网合一是目前无线通信发展的重要趋势。移动通信手机、射频识别读写器、超宽带通信手持终端是三种常见的无线通信手持终端设备，它们的工作频率接近，具有很大的整合潜力。如果一款天线能够同时覆盖第二代至第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段，使用这款天线的智能手机就将兼具射频识别读写器和超宽带通信手持终端的功能，可以读写校园卡、身份证、银行芯片卡、门禁卡、物流标签信息，可以实现近距离高速数据传输，智能手机将升级成为多功能的“智能终端”。
目前，第二代、第三代、第四代移动通信模式长期共存，第五代移动通信即将于2020年投入使用，一款移动通信手机天线需要覆盖的频段为第二代移动通信GSM制式0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，第三代移动通信WCDMA制式1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，第四代移动通信TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段。目前，射频识别技术最具有应用前景的频段为0.902～0.928GHz、2.400～2.4835 GHz和5.725～5.875 GHz。美国联邦通信委员会（FCC）确定的超宽带(UWB)通信的频段为3.100～10.600 GHz，这一标准现在已成为超宽带通信系统天线的国际标准。兼容移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段的“智能终端”天线需要覆盖上述所有频段，并同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求，具有较大的性能冗余，能够在各种不可预知的恶劣电磁环境下保证无线通信信号的传输质量。
仿生学是研究生物系统的结构和性质并为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，它通过研究生物体的结构、功能及工作原理，将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，以及创造新技术。在自然界中，蝴蝶的身体和翅膀对电磁波具有良好的吸收作用。模仿蝴蝶的外形并合理馈电，可以设计兼具收发电磁波功能的、性能优异的射频天线。
分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。与传统电磁器件相比，基于分形结构的电磁器件具有小型化、宽频带、多频工作、自加载等优点，能够很好的满足移动通信系统对电磁器件的性能要求。分形阵列是将多个阵元天线按照分形迭代规律排布为天线阵列的组阵方法，可以充分发挥分形结构自相似性的优点，在通过组阵增强天线辐射强度的同时，保证天线阵列具有较大的工作带宽。
与本申请技术最接近的现有技术是仿生超宽带天线，目前已有一项发明专利授权：
1. 刘英、龚书喜、姜文、李延平、洪涛、王文涛，低雷达散射截面的超宽带仿生天线，专利号：200910023245.5，已于2012年9月5日授权。
该项专利使用类似昆虫触角的仿生辐射结构，与本发明的蝶形仿生辐射结构完全不同。该项专利申请的是单体天线，而本申请将蝶形仿生小天线，按照希尔伯特分形阵列结构排列组成阵列天线。
本发明技术使用了蝶形仿生辐射结构，其由一个矩形“蝴蝶身体”和四个形状完全一致的平行四边形“蝴蝶翅膀”构成，每个“蝴蝶翅膀”上有4个完全一致平行四边形缝隙。总共16个缝隙的辐射相叠加，可以得到一个很宽的工作频带。这种蝶形仿生辐射结构具有很强的性能冗余和抗破坏性，在三个“蝴蝶翅膀”损坏的情况下仍然能够工作。本发明将蝶形仿生小天线作为阵元天线，按照希尔伯特分形阵列结构排列组成天线阵列，多个阵元天线的辐射能够同相叠加，天线具有较高的辐射强度和超宽的工作带宽，可以同时覆盖第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种多频段兼容分形阵列天线，具有较高的辐射强度和超宽的工作带宽，可以同时覆盖第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段。
本发明采用以下方案实现：一种多频段兼容分形阵列天线，具体包括基板、贴覆在所述基板背面的天线接地板和贴覆在所述基板正面的蝶形仿生分形阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片是由46个蝶形仿生小天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成的天线阵列。
进一步地，所述蝶形仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm。
进一步地，所述蝶形仿生小天线的蝶形由一个矩形蝴蝶身体部分和四个形状完全一致的平行四边形蝴蝶翅膀部分构成，每个蝴蝶翅膀部分的宽度为0.55mm±0.01mm。
进一步地，所述蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分位于天线几何中心，尺寸为0.5mm±0.01mm×0.1mm±0.01mm；每个蝴蝶翅膀部分上有4个平行四边形缝隙，每个缝隙长度为0.35mm±0.01mm，宽度为0.1mm±0.01mm，两个缝隙之间的距离为0.1mm±0.01mm，第1个缝隙与蝴蝶翅膀部分上边沿的距离为0.15mm±0.01mm，第4个缝隙与蝴蝶翅膀部分下边沿的距离为0.15mm±0.01mm。
较佳的，蝶形仿生小天线的辐射主要由四个“蝴蝶翅膀”上的平行四边形缝隙完成，总共16个缝隙的辐射相叠加，可以得到一个很宽的工作频带。这种蝶形仿生辐射结构具有很强的性能冗余和抗破坏性，在三个“蝴蝶翅膀”损坏的情况下仍然能够工作。
进一步地，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片使用希尔伯特分形阵列结构作为基本阵列排布结构，每个蝶形仿生小天线的几何中心相连组成希尔伯特分形折线。
进一步地，所述希尔伯特分形阵列结构使用至少1阶的希尔伯特分形结构。
较佳的，希尔伯特分形结构的迭代过程为：其初始单元为一条由3段等长线段组成的垂直三折线，将每条线段3等分，按照顺时针旋转的顺序，将第1段线段的前部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第2段线段的中部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第3段线段的后部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，则得到1阶希尔伯特分形结构。将1阶希尔伯特分形结构中的各个三折线区域做相似的迭代后，则得到2阶希尔伯特分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶希尔伯特分形结构。
进一步地，所述每个蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分的中心位置设有馈电点。
进一步地，所述基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为55-65。
进一步地，所述基板的形状为矩形，尺寸是20mm±0.05mm×20mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
进一步地，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
本发明使用蝶形仿生小天线作为阵元天线，保证了天线具有较好的宽频带工作特性。将阵元天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成天线阵列，天线整体上是希尔伯特分形折线，局部是蝶形仿生辐射结构，天线兼具二者的宽频带工作特性，能够兼容第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统。
天线实测结果显示，本发明天线的工作频带范围为0.554～12.157 GHz，工作带宽为11.603 GHz，带宽倍频程为21.94，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10 dB，回波损耗最小值为-35.39 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了第二代移动通信GSM制式通信频段、第三代移动通信TD-SCDMA制式通信频段、第三代移动通信WCDMA制式通信频段、第四代移动通信TD-LTE制式通信频段、第五代移动通信三个候选频段、射频识别系统三个常用频段，超宽带通信系统频段。
与用于移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统的常规天线比较，本发明天线具有突出的优点和显著的效果：本发明天线尺寸仅为20 mm×20 mm×0.5 mm，属于小型天线和超薄天线、可以很轻松的放进各种小型智能手机中；本发明天线回波损耗很低，在0.685～11.468 GHz频带内，天线的回波损耗都低于-30 dB，且回波损耗值很平稳，波动较少，能够在各种不可预知的恶劣电磁环境下保证无线通信信号的传输质量；本发明天线工作带宽高达11.603 GHz，带宽倍频程高达21.94，低频段辐射性能和高频段辐射性能都很好，远优于常规的超宽带天线。
附图说明
图1为本发明实施例中希尔伯特分形结构的迭代过程。
图2为本发明实施例中蝶形仿生小天线的结构示意图。
图3为本发明实施例中蝶形仿生分形阵列辐射贴片结构示意图。
图4为本发明实施例中回波损耗(S11)性能图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供了一种多频段兼容分形阵列天线，具体包括基板、贴覆在所述基板背面的天线接地板和贴覆在所述基板正面的蝶形仿生分形阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片是由46个蝶形仿生小天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成的天线阵列。
在本实施例中，所述蝶形仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm。
在本实施例中，所述蝶形仿生小天线的蝶形由一个矩形蝴蝶身体部分和四个形状完全一致的平行四边形蝴蝶翅膀部分构成，每个蝴蝶翅膀部分的宽度为0.55mm±0.01mm。
在本实施例中，所述蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分位于天线几何中心，尺寸为0.5mm±0.01mm×0.1mm±0.01mm；每个蝴蝶翅膀部分上有4个平行四边形缝隙，每个缝隙长度为0.35mm±0.01mm，宽度为0.1mm±0.01mm，两个缝隙之间的距离为0.1mm±0.01mm，第1个缝隙与蝴蝶翅膀部分上边沿的距离为0.15mm±0.01mm，第4个缝隙与蝴蝶翅膀部分下边沿的距离为0.15mm±0.01mm。
较佳的，如图2所示，在本实施例中，蝶形仿生小天线的辐射主要由四个“蝴蝶翅膀”上的平行四边形缝隙完成，总共16个缝隙的辐射相叠加，可以得到一个很宽的工作频带。这种蝶形仿生辐射结构具有很强的性能冗余和抗破坏性，在三个“蝴蝶翅膀”损坏的情况下仍然能够工作。
在本实施例中，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片使用希尔伯特分形阵列结构作为基本阵列排布结构，每个蝶形仿生小天线的几何中心相连组成希尔伯特分形折线。
在本实施例中，所述希尔伯特分形阵列结构使用至少1阶的希尔伯特分形结构。
较佳的，如图1所示，在本实施例中，希尔伯特分形结构的迭代过程为：其初始单元为一条由3段等长线段组成的垂直三折线，将每条线段3等分，按照顺时针旋转的顺序，将第1段线段的前部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第2段线段的中部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第3段线段的后部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，则得到1阶希尔伯特分形结构。将1阶希尔伯特分形结构中的各个三折线区域做相似的迭代后，则得到2阶希尔伯特分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶希尔伯特分形结构。
在本实施例中，所述每个蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分的中心位置设有馈电点。
在本实施例中，所述基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为55-65。
在本实施例中，所述基板的形状为矩形，尺寸是20mm±0.05mm×20mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
在本实施例中，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
更加具体地，如图3所示，本实施例设有基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的蝶形仿生分形阵列辐射贴片，天线接地板为全金属接地结构，蝶形仿生分形阵列辐射贴片结构如图3所示。本实施例使用1阶希尔伯特分形结构作为基本阵列排布结构，46个蝶形仿生小天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成天线阵列，每个蝶形仿生小天线的几何中心相连能够组成希尔伯特分形折线。
每个蝶形仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm，它由一个矩形“蝴蝶身体”和四个形状完全一致的平行四边形“蝴蝶翅膀”构成，每个“蝴蝶翅膀”的宽度为0.55mm±0.01mm。蝶形仿生小天线的“蝴蝶身体”位于天线几何中心，尺寸为0.5mm±0.01mm×0.1mm±0.01mm；每个“蝴蝶翅膀”上有4个平行四边形缝隙，每个缝隙长度为0.35mm±0.01mm，宽度为0.1mm±0.01mm，两个缝隙之间的距离为0.1mm±0.01mm，第1个缝隙与“蝴蝶翅膀”上边沿距离为0.15mm±0.01mm，第4个缝隙与“蝴蝶翅膀”下边沿距离为0.15mm±0.01mm。
天线基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为55-65，基板的形状为矩形，尺寸是20mm±0.05mm×20mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
图4给出了本实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.554～12.157 GHz，工作带宽为11.603 GHz，带宽倍频程为21.94，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10 dB，回波损耗最小值为-35.39 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了第二代移动通信GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880～1.920GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，第三代移动通信WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，第四代移动通信TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段，射频识别系统0.902～0.928GHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.875 GHz三个常用频段，超宽带通信系统3.100～10.600 GHz频段。该款天线能够兼容第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统，使用该款天线后，智能手机可以和射频识别读写器、超宽带通信终端设备结合在一起，升级成为多功能的“智能终端”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：包括基板、贴覆在所述基板背面的天线接地板和贴覆在所述基板正面的蝶形仿生分形阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构，所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片是由46个蝶形仿生小天线按照希尔伯特分形阵列结构排列组成的天线阵列；所述蝶形仿生小天线的蝶形由一个矩形蝴蝶身体部分和四个形状完全一致的平行四边形蝴蝶翅膀部分构成，每个蝴蝶翅膀部分的宽度为0.55mm±0.01mm；
所述蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分位于天线几何中心，尺寸为0.5mm±0.01mm×0.1mm±0.01mm；每个蝴蝶翅膀部分上有4个平行四边形缝隙，每个缝隙长度为0.35mm±0.01mm，宽度为0.1mm±0.01mm，两个缝隙之间的距离为0.1mm±0.01mm，第1个缝隙与蝴蝶翅膀部分上边沿的距离为0.15mm±0.01mm，第4个缝隙与蝴蝶翅膀部分下边沿的距离为0.15mm±0.01mm。
2.根据权利要求1所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述蝶形仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm。
3.根据权利要求1所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述蝶形仿生分形阵列辐射贴片使用希尔伯特分形阵列结构作为基本阵列排布结构，每个蝶形仿生小天线的几何中心相连组成希尔伯特分形折线。
4.根据权利要求3所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述希尔伯特分形阵列结构使用至少1阶的希尔伯特分形结构。
5.根据权利要求1所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：每个所述蝶形仿生小天线的蝴蝶身体部分的中心位置设有馈电点。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为55-65。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是20mm±0.05mm×20mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种多频段兼容分形阵列天线，其特征在于：所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
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